特种设备用高安全等级高频RFID读写器设计开发
李娟 刘丽梅 郭新鹏 范新强 李良
摘 要： 特种设备安全事关社会生产与人民生活，针对特种设备安全管理问题，RFID技术提供了有效的支撑手段，RFID读写器是RFID应用系统的重要组件。因而，重点研究了满足特种设备安全管理需要的高频RFID读写器，包括：读写器的总体功能架构，防爆等关键硬件电路设计、嵌入式软件设计等，为特种设备安全管理应用提供自动化的数据采集技术支撑。
关键词： 特种设备； 安全管理； 高安全等级； RFID读写器
中图分类号： TN015?34； TN914.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0161?03
Abstract： Special equipment safety is related with social production and people′s livelihood. RFID technology provides an effective support means for special equipment safety management. RFID reader?writer， which is the main component of RFID application system， is the research emphasis in this paper. The research of RFID reader?writer includes the whole function architecture， explosion?proof key hardware circuit design and embedded software design. The RFID reader?writer will provide a technical support of automatic data acquisition for the special equipment safety management and application.
Keywords： special equipment； safety management； high security?level； RFID reader?writer
0 引 言
特种设备指对人身和财产安全有较大危险性的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆[1]。随着经济社会发展，特种设备数量呈现快速增长态势，截至2015年底，全国特种设备[2]总量达到了1 100.13万台。近年来，射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术在气瓶安全管理、电梯维护保养与检验、起重机械管理等特种设备安全管理方面应用广泛[3?6]。
最简单的RFID系统由电子标签、读写器、系统软件组成[7]。其中：电子标签是对设备进行惟一性标识数据的载体；读写器用于信息的自动采集与传输；软件系统实现信息管理等功能。RFID读写器是RFID 系统的核心部分，是连接电子标签与系统软件的中间组件，通过天线（Antenna）与电子标签进行无线通信，实现对标签内指定字段的读写操作，并通过各种通信方式实现与软件系统的数据传输。根据工作频率划分，RFID读写器包括低频（125～135 kHz）、高频（13.56 MHz）、超高频（860～960 MHz）和微波（2.45～5.8 GHz）。
结合特种设备安全管理需要，重点开展实现数据采集的高安全等级高频RFID读写器的设计开发，包括硬件电路设计、嵌入式软件开发等。
1 硬件电路设计
特种设备安全管理用的RFID读写器的整体功能架构如图1所示，由控制模块、RFID读写模块、通信模块（包括无线通信模块、USB接口电路）、电源模块、终端安全存取模块（Purchase Secure Access Module，PSAM）、加密模块、人机交互模块（包括键盘输入、显示等）等组成。其中控制单元、RFID射频读写模块和通信接口是读写器的基本组成部分[8?10]。
1.1 控制模块
控制模块是读写器的重要组成部分，它负责协调RFID读写器各个单元模块的工作以及提供一些通信接口。控制模块采用STM32F103VCT6，具备ARM Cortex M3内核，CPU最高速度达72 MHz， 256 KB的FLASH存储器，48 KB的RAM，提供CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB 等类型丰富的外设接口，很好地满足了本设计的需求，另外它丰富的引脚为系统的扩展提供了条件。
1.2 RFID读写模块
RFID读写模块是读写器的核心组成部分，它的工作频率以及编码、通信协议等决定了它的性能。为满足RFID读写器在不同特种设备安全管理领域应用的通用性，RFID读写模块选用支持ISO 15693，ISO 14443，ISO 18000?3多种高频协议的RC632芯片，工作频率为：13.56 MHz，芯片由射频前端和基带处理两部分组成，射频前端对发送的基带信号进行上变频和功率放大等处理后发射给射频标签。然后在接收到标签的返回信号时，对接收信号进行放大、滤波、下变频等处理后将基带信号传输给基带处理芯片。
RFID读写模块主要用来通过天线与电子标签进行信息交互，控制模块主要通过控制它的MISO，MOSI，CLK1等引脚来操作它，如图2所示。
1.3 通信电路设计
在本设计中，读写器的通信电路包括：串行通信电路、433 MHz的无线通信电路、USB接口通信电路。
（1） 串行通信电路
串行通信电路主要用于实现计算机与读写器之间的通信，单片机I/O 管脚的电平是TTL电平与PC机不能直接进行通信，需要通过芯片进行电平转换才能通信。本设计中选用MAX232E来完成电平转换，T1IN和R1OUT与控制模块串行发送口和串行接收口相连，T1OUT和R1IN通过DB9连接器连到PC 机COM 口的RXD和TXD端口。
（2） 无线通信模块
无线通信模块采用CC1101芯片，控制模块通过TXD1，RXD1等引脚对无线通信模块予以控制。
（3） USB接口通信模块
STM32F103VCT6自身具备USB 2.0通信接口，通过控制USBDM和USBDP引脚，既可便于数据导入导出，又便于通过USB接口进行充电。
1.4 防爆电路设计
特种设备安全管理引入RFID技术，应避免造成附加的安全隐患，特别是在气瓶充装等场合，对于RFID读写器的安全性能有具体要求。根据GB3836.1?2000《爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：通用要求》和GB3836.4?2000《爆炸性气体环境用电气设备 第4部分：本质安全型“i”》，用于气瓶充装等特种设备安全管理领域的RFID读写器，其防爆性能应达到ExibIIBT3的防爆等级。为此，在具体的电源模块电路设计上采用了相应的防爆设计。
（1） 采用工业级IC，四层版设计，元器件主要选用可3.3 V供电的器件，在有脉冲电流、尖峰电流的电路中串联电阻，有效减少了瞬间能量，保证符合本文电路的要求。具体设计包括：电阻全部采用高品质贴片电阻；电容采用高品质低泄露电流低ESR的瓷片或者钽电容；大电流放电引脚串联电阻以减少冲击电流；PCB电源线、信号线之间增大距离以减少PCB板分布电容、耦合电容。
（2） 采用锂电池充电管理及电池保护。锂聚合物电池由电芯并联而成，任何一个电芯在使用中出现异常都将引起电池保护电路和充电电路动作，以防止发生危险。综合对比后采用LTC1733芯片作为锂电池充电管理芯片，内嵌MOSFET、采样电阻和阻塞二极管；可以根据环境温度自动调整充电电流，以防止电池过热；可以通过编程设置充电电压、充电电流和充电时间。
1.5 数据安全电路设计
在特种设备安全管理应用中，应防止电子标签中的数据被篡改。在数据安全电路设计上，采用PSAM卡硬件加密技术，保障数据安全。PSAM卡加密模块通过支持Triple DES算法，实现RFID读写器与电子标签之间的合法性认证，从而确保信息读写安全。
PSAM加密接口芯片采用TDA8007，能同时满足ISO7816标准及EMV和GSM11?11标准的IC卡读写接口。控制模块只需通过其接口控制并行通信来管理TDA8007，便可实现对电子标签的上电、下电及读写数据处理。其中，控制模块既可以通过总线复用把TDA8007内部的所有寄存器作为外部存储器，用MOVX寻址，也可以通过非总线复用方式访问。另外，TDA8007的片选信号和外部中断信号线可以方便读写器处理多个射频标签。TDA8007的硬件ESD处理、接口短路处理、电源出错处理等也给RFID读写器提供了比较高的安全保护。
1.6 其他电路设计
除了基础的电路部分，RFID读写器还应提供较好的人机交互功能、存储功能。人机交互模块实现输入、显示等人机交互功能，其中，键盘支持数字、英文、汉字输入，同时还根据应用的不同设计功能键方便人机交互，最大限度地满足各种应用场合的需求。显示屏采用COG（Chip on Glass）技术、高对比度显示、EL背光的FSTN显示屏，支持128×128 点阵或 8×8行中文字符（16×16西文字符），工业级温度范围为-30～75 ℃。存储电路可扩展应用程序存储功能，主要用于暂存读写器读到的数据或者将要写到电子标签中的数据暂存到读写器中，再由读写器发给电子标签。应用程序存储芯片采用AT49BV162A，存储容量为16 Mb，FLASH上电时处于读模式，外部命令可以使FLASH处于编程或者擦除状态，FLASH可以对每一个扇区进行保护。
2 嵌入式程序开发
RFID读写器嵌入式软件开发包括驱动程序开发与应用程序开发。其中，RFID读写器的驱动程序主要通过调用API函数的方式予以实现；应用程序主要实现RFID读写器对特种设备电子标签的读写操作。
2.1 驱动程序开发
驱动程序是实现应用程序的基础，利用C 语言编写驱动程序API函数，主要包括：输入、提示音、蜂鸣器、LCD显示、背光指示灯控制、系统时钟、存储器读写、串行通信等。其中串行通信协议实现RFID读写器的控制模块与无线通信模块之间指令/数据的发送接收，具体流程如图3所示。主要实现串口的初始化设置（包括串口号、波特率、数据位、校验、停止位）、发送数据、接收数据等一系串口通信。
2.2 应用程序开发
应用程序主要是在特种设备安全管理的相关环节，比如充装、流通、检验等，实现对特种设备电子标签的读写等操作。以气瓶充装场合应用为例，RFID读写器的读写流程如图4所示，电子标签的读写按Block进行，根据具体的RFID空中接口协议类型，进行应用程序的编写与调试。
3 结 语
特种设备是一类与生产生活密切相关的特种设备，特种设备安全管理是目前RFID技术应用的重要领域。特种设备安全管理用的高频RFID读写器除满足一般的读写性能要求外，对于防爆性能、数据安全性能等也很重要。通过采用四层IC电路板设计，锂电池充电管理及电池保护、PSAM加密电路等的设计，使得特种设备行业应用RFID读写器具有较高的防爆性能、较好的数据安全保护性能，为实现特种设备安全的信息化、智能化管理提供了重要的数据采集技术支撑。
参考文献
[1] 中华人民共和国中央人民政府.中华人民共和国特种设备安全法[EB/OL].[2013?06?30].http：//www.gov.cn/flfg/2013?06/30/content_2437160.htm，2013.
[2] 国家质量监督检验检疫总局.质检总局关于2015年全国特种设备安全状况情况的通报[EB/OL].[2016?04?05].http：//tzsbaqjcj.aqsiq.gov.cn/qktb/201604/t20160405_463840.htm.
[3] 鲁红亮，薛小龙，汤晓英，等.气瓶安全监管技术的研究进展[J].中国特种设备安全，2015（z1）：26?30.
[4] 王贺明.基于RFID和GPRS的特种设备维护保养电子监管系统应用研究[D].郑州：郑州大学，2011.
[5] 黄端，汪丹凤，陶杰，等.RFID技术在电梯检验系統中的应用[J].工业控制计算机，2014（8）：112?113.
[6] 丁树庆，任诗波.基于RFID技术的起重机械人机交互系统研究[J].机电工程技术，2013（6）：76?80.
[7] 戴欣，邓湘，刘浩.RFID低功耗电子标签和手持阅读器设计开发[J].电子技术应用，2013，39（6）：21?23.
[8] 任宜远.基于RFID的库存管理手持机开发研究[J].制造业自动化，2015，32（2）：64?66.
[9] 马欢，张涛.基于CL RC632的射频读写器的RFID系统设计[J].现代电子技术，2012，35（6）：155?157.
[10] 程雯.基于ARM嵌入式平台的RFID读写器设计[D].武汉：武汉工程大学，2012.
摘 要： 特种设备安全事关社会生产与人民生活，针对特种设备安全管理问题，RFID技术提供了有效的支撑手段，RFID读写器是RFID应用系统的重要组件。因而，重点研究了满足特种设备安全管理需要的高频RFID读写器，包括：读写器的总体功能架构，防爆等关键硬件电路设计、嵌入式软件设计等，为特种设备安全管理应用提供自动化的数据采集技术支撑。
关键词： 特种设备； 安全管理； 高安全等级； RFID读写器
中图分类号： TN015?34； TN914.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0161?03
Abstract： Special equipment safety is related with social production and people′s livelihood. RFID technology provides an effective support means for special equipment safety management. RFID reader?writer， which is the main component of RFID application system， is the research emphasis in this paper. The research of RFID reader?writer includes the whole function architecture， explosion?proof key hardware circuit design and embedded software design. The RFID reader?writer will provide a technical support of automatic data acquisition for the special equipment safety management and application.
Keywords： special equipment； safety management； high security?level； RFID reader?writer
0 引 言
特种设备指对人身和财产安全有较大危险性的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆[1]。随着经济社会发展，特种设备数量呈现快速增长态势，截至2015年底，全国特种设备[2]总量达到了1 100.13万台。近年来，射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术在气瓶安全管理、电梯维护保养与检验、起重机械管理等特种设备安全管理方面应用广泛[3?6]。
最简单的RFID系统由电子标签、读写器、系统软件组成[7]。其中：电子标签是对设备进行惟一性标识数据的载体；读写器用于信息的自动采集与传输；软件系统实现信息管理等功能。RFID读写器是RFID 系统的核心部分，是连接电子标签与系统软件的中间组件，通过天线（Antenna）与电子标签进行无线通信，实现对标签内指定字段的读写操作，并通过各种通信方式实现与软件系统的数据传输。根据工作频率划分，RFID读写器包括低频（125～135 kHz）、高频（13.56 MHz）、超高频（860～960 MHz）和微波（2.45～5.8 GHz）。
结合特种设备安全管理需要，重点开展实现数据采集的高安全等级高频RFID读写器的设计开发，包括硬件电路设计、嵌入式软件开发等。
1 硬件电路设计
特种设备安全管理用的RFID读写器的整体功能架构如图1所示，由控制模块、RFID读写模块、通信模块（包括无线通信模块、USB接口电路）、电源模块、终端安全存取模块（Purchase Secure Access Module，PSAM）、加密模块、人机交互模块（包括键盘输入、显示等）等组成。其中控制单元、RFID射频读写模块和通信接口是读写器的基本组成部分[8?10]。
1.1 控制模块
控制模块是读写器的重要组成部分，它负责协调RFID读写器各个单元模块的工作以及提供一些通信接口。控制模块采用STM32F103VCT6，具备ARM Cortex M3内核，CPU最高速度达72 MHz， 256 KB的FLASH存储器，48 KB的RAM，提供CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB 等类型丰富的外设接口，很好地满足了本设计的需求，另外它丰富的引脚为系统的扩展提供了条件。
1.2 RFID读写模块
RFID读写模块是读写器的核心组成部分，它的工作频率以及编码、通信协议等决定了它的性能。为满足RFID读写器在不同特种设备安全管理领域应用的通用性，RFID读写模块选用支持ISO 15693，ISO 14443，ISO 18000?3多种高频协议的RC632芯片，工作频率为：13.56 MHz，芯片由射频前端和基带处理两部分组成，射频前端对发送的基带信号进行上变频和功率放大等处理后发射给射频标签。然后在接收到标签的返回信号时，对接收信号进行放大、滤波、下变频等处理后将基带信号传输给基带处理芯片。
RFID读写模块主要用来通过天线与电子标签进行信息交互，控制模块主要通过控制它的MISO，MOSI，CLK1等引脚来操作它，如图2所示。
1.3 通信电路设计
在本设计中，读写器的通信电路包括：串行通信电路、433 MHz的无线通信电路、USB接口通信电路。
（1） 串行通信电路
串行通信电路主要用于实现计算机与读写器之间的通信，单片机I/O 管脚的电平是TTL电平与PC机不能直接进行通信，需要通过芯片进行电平转换才能通信。本设计中选用MAX232E来完成电平转换，T1IN和R1OUT与控制模块串行发送口和串行接收口相连，T1OUT和R1IN通过DB9连接器连到PC 机COM 口的RXD和TXD端口。
（2） 无线通信模块
无线通信模块采用CC1101芯片，控制模块通过TXD1，RXD1等引脚对无线通信模块予以控制。
（3） USB接口通信模块
STM32F103VCT6自身具备USB 2.0通信接口，通过控制USBDM和USBDP引脚，既可便于数据导入导出，又便于通过USB接口进行充电。
1.4 防爆电路设计
特种设备安全管理引入RFID技术，应避免造成附加的安全隐患，特别是在气瓶充装等场合，对于RFID读写器的安全性能有具体要求。根据GB3836.1?2000《爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：通用要求》和GB3836.4?2000《爆炸性气体环境用电气设备 第4部分：本质安全型“i”》，用于气瓶充装等特种设备安全管理领域的RFID读写器，其防爆性能应达到ExibIIBT3的防爆等级。为此，在具体的电源模块电路设计上采用了相应的防爆设计。
（1） 采用工业级IC，四层版设计，元器件主要选用可3.3 V供电的器件，在有脉冲电流、尖峰电流的电路中串联电阻，有效减少了瞬间能量，保证符合本文电路的要求。具体设计包括：电阻全部采用高品质贴片电阻；电容采用高品质低泄露电流低ESR的瓷片或者钽电容；大电流放电引脚串联电阻以减少冲击电流；PCB电源线、信号线之间增大距离以减少PCB板分布电容、耦合电容。
（2） 采用锂电池充电管理及电池保护。锂聚合物电池由电芯并联而成，任何一个电芯在使用中出现异常都将引起电池保护电路和充电电路动作，以防止发生危险。综合对比后采用LTC1733芯片作为锂电池充电管理芯片，内嵌MOSFET、采样电阻和阻塞二极管；可以根据环境温度自动调整充电电流，以防止电池过热；可以通过编程设置充电电压、充电电流和充电时间。
1.5 数据安全电路设计
在特种设备安全管理应用中，应防止电子标签中的数据被篡改。在数据安全电路设计上，采用PSAM卡硬件加密技术，保障数据安全。PSAM卡加密模块通过支持Triple DES算法，实现RFID读写器与电子标签之间的合法性认证，从而确保信息读写安全。
PSAM加密接口芯片采用TDA8007，能同时满足ISO7816标准及EMV和GSM11?11标准的IC卡读写接口。控制模块只需通过其接口控制并行通信来管理TDA8007，便可实现对电子标签的上电、下电及读写数据处理。其中，控制模块既可以通过总线复用把TDA8007内部的所有寄存器作为外部存储器，用MOVX寻址，也可以通过非总线复用方式访问。另外，TDA8007的片选信号和外部中断信号线可以方便读写器处理多个射频标签。TDA8007的硬件ESD处理、接口短路处理、电源出错处理等也给RFID读写器提供了比较高的安全保护。
1.6 其他电路设计
除了基础的电路部分，RFID读写器还应提供较好的人机交互功能、存储功能。人机交互模块实现输入、显示等人机交互功能，其中，键盘支持数字、英文、汉字输入，同时还根据应用的不同设计功能键方便人机交互，最大限度地满足各种应用场合的需求。显示屏采用COG（Chip on Glass）技术、高对比度显示、EL背光的FSTN显示屏，支持128×128 点阵或 8×8行中文字符（16×16西文字符），工业级温度范围为-30～75 ℃。存储电路可扩展应用程序存储功能，主要用于暂存读写器读到的数据或者将要写到电子标签中的数据暂存到读写器中，再由读写器发给电子标签。应用程序存储芯片采用AT49BV162A，存储容量为16 Mb，FLASH上电时处于读模式，外部命令可以使FLASH处于编程或者擦除状态，FLASH可以对每一个扇区进行保护。
2 嵌入式程序开发
RFID读写器嵌入式软件开发包括驱动程序开发与应用程序开发。其中，RFID读写器的驱动程序主要通过调用API函数的方式予以实现；应用程序主要实现RFID读写器对特种设备电子标签的读写操作。
2.1 驱动程序开发
驱动程序是实现应用程序的基础，利用C 语言编写驱动程序API函数，主要包括：输入、提示音、蜂鸣器、LCD显示、背光指示灯控制、系统时钟、存储器读写、串行通信等。其中串行通信协议实现RFID读写器的控制模块与无线通信模块之间指令/数据的发送接收，具体流程如图3所示。主要实现串口的初始化设置（包括串口号、波特率、数据位、校验、停止位）、发送数据、接收数据等一系串口通信。
2.2 应用程序开发
应用程序主要是在特种设备安全管理的相关环节，比如充装、流通、检验等，实现对特种设备电子标签的读写等操作。以气瓶充装场合应用为例，RFID读写器的读写流程如图4所示，电子标签的读写按Block进行，根据具体的RFID空中接口协议类型，进行应用程序的编写与调试。
3 结 语
特种设备是一类与生产生活密切相关的特种设备，特种设备安全管理是目前RFID技术应用的重要领域。特种设备安全管理用的高频RFID读写器除满足一般的读写性能要求外，对于防爆性能、数据安全性能等也很重要。通过采用四层IC电路板设计，锂电池充电管理及电池保护、PSAM加密电路等的设计，使得特种设备行业应用RFID读写器具有较高的防爆性能、较好的数据安全保护性能，为实现特种设备安全的信息化、智能化管理提供了重要的数据采集技术支撑。
参考文献
[1] 中华人民共和国中央人民政府.中华人民共和国特种设备安全法[EB/OL].[2013?06?30].http：//www.gov.cn/flfg/2013?06/30/content_2437160.htm，2013.
[2] 国家质量监督检验检疫总局.质检总局关于2015年全国特种设备安全状况情况的通报[EB/OL].[2016?04?05].http：//tzsbaqjcj.aqsiq.gov.cn/qktb/201604/t20160405_463840.htm.
[3] 鲁红亮，薛小龙，汤晓英，等.气瓶安全监管技术的研究进展[J].中国特种设备安全，2015（z1）：26?30.
[4] 王贺明.基于RFID和GPRS的特种设备维护保养电子监管系统应用研究[D].郑州：郑州大学，2011.
[5] 黄端，汪丹凤，陶杰，等.RFID技术在电梯检验系統中的应用[J].工业控制计算机，2014（8）：112?113.
[6] 丁树庆，任诗波.基于RFID技术的起重机械人机交互系统研究[J].机电工程技术，2013（6）：76?80.
[7] 戴欣，邓湘，刘浩.RFID低功耗电子标签和手持阅读器设计开发[J].电子技术应用，2013，39（6）：21?23.
[8] 任宜远.基于RFID的库存管理手持机开发研究[J].制造业自动化，2015，32（2）：64?66.
[9] 马欢，张涛.基于CL RC632的射频读写器的RFID系统设计[J].现代电子技术，2012，35（6）：155?157.
[10] 程雯.基于ARM嵌入式平台的RFID读写器设计[D].武汉：武汉工程大学，2012.
